Ticari Lityum Demir Fosfat/lithium Polimer Bataryalar içinde Katod anot arasında sıvı elektrolit vardır. lityum ionları bu sıvı içinden geçerler. Katı Hal Bataryaların içinde lityum ionlar katı bir eloktrolit içinden geçer. En önemli farkı budur.
Yapısı
Anot (genellikle lityum metal veya silikon)
Katot (yüksek enerji yoğunluklu malzeme)
Katı elektrolit (seramik, sülfür bazlı, polimer vb.)
Avantajları
Daha yüksek enerji yoğunluğu: Lityum metal anot sayesinde >1.000 Wh/kg potansiyeli var.
Daha güvenli: Yanıcı sıvı elektrolit olmadığından sızıntı, yangın ve patlama riski azalır.
Daha uzun ömür: Dendrit oluşumu daha kolay engellenebilir, döngü ömrü uzar.
Geniş sıcaklık aralığında çalışabilir.
Dezavantajları
Katı elektrolitlerin iyon iletkenliği genellikle sıvıya göre düşük. Akülerin iç direnci yüksektir. Lifepo4 deki gibi yüksek akımlar çekemezsiniz
Elektrot ile elektrolit arasında temas direnci yüksek olabiliyor. Buda yüksek akımlarda ısınmalara kayıplara yol aç.ar.
Seri üretim teknolojisi henüz pahalı ve zor. Şu an ticari olarka tam katı hal batarya satılmamaktadır
En önemli söylenecek bu konudaki söz, Hiçbir firma tam olarak katı hal batarya satmamaktadır. Genelde yarı likid yarı katı bataryalar , ticari satıştadır. Tam katı hal batarya üretmiş ve satışa sunmuş hiçvbir üretici yotkru 2025/Eylül ayı itibarıyla
Geleneksel lityum-iyon piller (Şekil 1), tipik olarak lityum metal oksitten yapılmış bir katot ile donatılmıştır; örnek olarak lityum kobalt oksit (LiCoO₂), lityum nikel manganez kobalt oksit (LiNiMnCoO₂) veya lityum demir fosfat (LiFePO₄) verilebilir. Katot, lityum iyonlarını depolar ve serbest bırakır; grafit anot ise şarj ve deşarj sırasında lityum iyonlarını aralarına alır (interkalasyon yapar).
Ayırıcı, genellikle polietilen veya polipropilen gibi mikrogözenekli bir polimer zar olup anot ve katodun doğrudan temas etmesini engellerken iyonların aralarından geçmesine izin verir.
Sıvı elektrolitler, etilen karbonat veya dimetil karbonat gibi karbonat karışımlarında çözülmüş lityum tuzlarından oluşur ve anot ile katot arasındaki iyon hareketini kolaylaştırır.
Koruyucu bir muhafaza içinde yer alan lityum-iyon piller, elektronların harici devrelere gidip gelmesini sağlamak için akım toplayıcılar kullanır.
Çoğu katı hâl pil prototipi (Şekil 1), bir katot, bir anot ve aynı zamanda ayırıcı işlevi gören katı elektrolitlerden oluşur. Geleneksel lityum-iyon pillerde olduğu gibi, bu katotlar da tipik olarak lityum metal oksitlerden yapılır; örneğin LiCoO₂, LiNiMnCoO₂ veya LiFePO₄.
Geleneksel lityum-iyon pillerin aksine, birçok katı hâl anot tasarımı, daha yüksek enerji yoğunluğu potansiyeli nedeniyle lityum metali içerir. Katı hâl piller genellikle seramik bazlı elektrolitlere dayanır, ancak polimer bazlı ve sülfür bazlı elektrolitler de kullanılmaktadır.
Koruyucu bir muhafaza içinde yer alan katı hâl piller, elektronların harici devrelere gidip gelmesini sağlamak için akım toplayıcılar kullanır.
İlave potansiyel faydalar
Yeni katı hâl tasarımlar (Şekil 2), geleneksel lityum-iyon pillere kıyasla birçok potansiyel avantaj sunmaktadır. Örneğin, lityum metal anotların katı elektrolitlerle birleştirilmesi enerji yoğunluğunu artırır, bu da enerji depolama kapasitesini önemli ölçüde yükseltir ve elektrikli araçların (EV) menzilini uzatır.
Şekil 2. Bir katı hâl EV pilinin şematik gösterimi: lityum anot, katı elektrolitler ve katot gibi temel bileşenler vurgulanmaktadır. Görsel, gelecekteki katı hâl pil paketlerinin 10 dakikadan kısa sürede tam şarj olma potansiyelini de öne çıkarır.
Daha hızlı şarj hızları: Birçok katı hâl pil tasarımı, hızlı ve güvenli şarj imkânı vaat ediyor. Katı elektrolitler, hızlı şarj sırasında ısınmaya bağlı fiziksel bozulma ve termal kaçak (thermal runaway) riskini azaltarak güvenliği artırabilir ve pil ömrünü uzatabilir.
Yüksek sıcaklık kararlılığı: Gelecekteki katı hâl piller, daha yüksek dış sıcaklık aralıklarında bile kapasite kaybı veya deşarj sınırlaması olmadan daha güvenilir şekilde çalışabilir.
Daha kompakt yapı: Katı elektrolitler, sıvı elektrolitlerin muhafazasına gerek bırakmaz. Bu da otomotiv üreticilerinin daha hafif ve daha küçük batarya tasarımları uygulamasına imkân verebilir.
Geliştirilmiş güvenlik: Katı hâl piller, geleneksel lityum-iyon pillere kıyasla daha gelişmiş güvenlik özellikleri sunabilir. Yanıcı olmayan katı elektrolitler, bir kaza, pil arızası veya kısa devre durumunda yangın veya patlama riskini azaltma olasılığı taşır.
Peki katı hal pillerinin ana uygulama alanları neler olacak?
Gördüğümüz gibi, yakın geleceğin katı hal aküleri, araçların performansını ve verimliliğini artıracak ve otomotiv endüstrisinin elektrifikasyon sektöründe devrim yaratacak büyük avantajlar sağlama potansiyeline sahip. Ancak katı hal teknolojisinin pazara girişi birkaç yıl önce zaten yakın görünüyordu ve bu atılım henüz gerçekleşmedi. Peki neden?
Pek çok avantajı olduğu gibi, bu teknolojinin henüz hazır olmaması ve sürekli gelişmesi nedeniyle bazı sınırlamaları da var. Bu nedenle, bu sınırlamaları ele alınması gereken gerçek zorluklar ve ulaşılması gereken büyük yeni hedefler olarak adlandırabiliriz. Gelin birlikte öğrenelim.
Kararlılık sorunları
Şarj ve deşarj sırasında, katı hal hücresi nefes alıyormuş gibi görünür. Lityum metal anotun kalınlığı şarj sırasında artar, deşarj sırasında azalır ve tüm kararsız elemanlar gibi bu da sonunda bozulmaya neden olur.
Asıl sorun, katı hal hücrelerini aynı anda hem sabit hem de sıkıştırılmış halde tutmanın zorluğundan kaynaklanır.
Bir hücre, iç katmanları ayrılmayacak şekilde sıkıştırılmalıdır, ancak onu bir yapıyla sabitlemek yeterli değildir, çünkü sürekli olarak "nefes alması" gerekecektir. Bu nedenle karmaşık bir mekanik yapı oluşturmanız gerekir: "Masaüstü" katı hal pil prototiplerinde, her şeyi sıkıştırılmış halde tutan yaylarla donatılmış plakalar bulunur, ancak bu, seri üretime uygun olmayan karmaşık ve pahalı bir sistemdir.
Yapısı gereği, bir katı hal hücresinin şişmesini engellemek mümkün değildir; Ancak araştırmalar, hücrenin tüm bu basınca ihtiyaç duymadan kendi başına sabit kalması için (ama belki sadece bir dolgu maddesi kullanılarak) basınç açısından daha az talepkar hale getirilmesi üzerinde veya hücrenin sıkıca sabitlenip sıkıştırılmış halde tutulurken genişlemesine izin veren gelişmiş malzemelerin incelenmesi üzerinde çalışabilir.
Ayırıcı yalnızca yüksek sıcaklıklarda çalışır.
İyonlar maddedir, atomlardır ve bu nedenle bir sıvıda daha kolay hareket etmeleri mantıklıdır; oysa bir katının (seramik ayırıcı) iyonların serbestçe hareket edebilmesi için özel bir bileşime sahip olması gerekir.
Bu anlamda halihazırda yüksek performanslı ayırıcılar mevcuttur, ancak yalnızca yüksek sıcaklıklarda, çünkü katı elektrotlar yalnızca 50 derecenin üzerindeki sıcaklıklarda iyi iletkenler haline gelir. Bu sınır, katı hal teknolojisinin gerçek araçlarda hâlâ neredeyse hiç kullanılmadığı anlamına gelir, çünkü akünün her zaman sıcak olduğunu varsayamayız. Katı hal aküsü sıcak olmadığında, performansı şu anda önemli ölçüde düşmektedir. Katı elektrolitin giderek daha düşük sıcaklıklarda iyi performans göstermesini sağlamak için çalışmalar yapılması gerekecektir.
Çevrim Ömürleri döngüleri hâlâ kısa
Şu anda test edilen katı hal pillerin yaşam döngüleri, 4.000 şarj döngüsünü rahatlıkla aşan LFP kimyası gibi diğer lityum iyon teknolojilerinden hâlâ daha kısadır.
Temel sorun, hücrenin tüm katmanları arasında iyi bir temas sağlamanın çok zor olmasıdır. Katmanlar arasındaki temas kaybolmaya başladığında, hücre kapasitesini ve performansını kaybeder.
Yüksek maliyet
Katı hal pilinin maliyeti şu anda oldukça yüksek çünkü son derece yenilikçi bir teknolojiden bahsediyoruz; bu nedenle hem malzemelerin hem de üretim süreçlerinin maliyetleri seri üretim pillere göre daha yüksek olmalıdır. Bu teknolojinin nihai maliyetinin ne olabileceği henüz belli değil, ancak büyük otomobil üreticileri bu alana yatırım yapıyorsa, maliyetin seri üretime de uyarlanabileceğine inanmak için yeterli kanıta sahip olduklarını varsayabiliriz.
Peki katı hal Akülerin ana uygulama alanları neler olacak?
Katı hal pillerinin hala çözülmesi gereken birkaç sorunu olsa da, piyasaya çıkışları artık kesin ve enerji yoğunluğunun şu anda ihtiyaç duyulan tüm enerjiyi depolamak için yeterli alan olmadığı için sınırlayıcı bir faktör olduğu tüm sektörlerde yaygın olarak kullanılmalarını bekleyebiliriz. Aslında, iki kat daha fazla enerji yoğunluğuna sahip oldukları için katı hal pilleri menzili iki katına çıkaracak ve artık otomotiv pazarının ve daha genel olarak tüm ulaşımın geleceği olarak görülüyor.
Endüstriyel makine sektörü ve elektrikli araç sektörü de bu yeni teknolojiye ilgiyle bakıyor: Bu durum, genellikle uzun menzil gerektiren ve şu anda hacminin kullanılabilecek enerji miktarına kıyasla düşük olduğu, çok enerji yoğun makineler veya ağır araçlar için geçerli.
Katı hal pil teknolojisinin piyasaya sürülmesi, elektrikli araç kategorisinin daha da genişletilmesi için kesinlikle faydalı olabilir. Katı hal hücreleri, büyük enerji yoğunluklarının yanı sıra her alanda rekabetçi hale gelirse, şüphesiz endüstriyel elektrifikasyonun geleceği için de geçerli bir yol olabilir
Katı hal piller elektrik piyasasına ne zaman girecek?
Katı hal piller bilim kurgu değil, tam tersine! Yoğun kullanıma uygun, akünün tüm gün aralıksız kullanıldığı ve sıcak kalsa bile sorunsuz çalıştığı bazı tüketici pilleri veya otobüs gibi bazı araçlar gibi küçük uygulamalarda şimdiden gerçek oldular.
Bu nedenle katı hal teknolojisi halihazırda düşük hacimlerde şu alanlarda kullanılıyor:
Kontrollü iklim koşullarında çalışan piller
Havacılık uygulamaları için piller
Yarı katı veya katı hal hibrit piller
Gerçek hayattan bir örnek, Çinli Dongfeng Motor Corporation tarafından yakın zamanda piyasaya sürülen yarı katı hal pillere sahip 50 E70 aracıdır: Bu, bir dizi simülasyon testiyle yarı katı hal pillerin mükemmel elektrokimyasal özellikler gösterdiği görülen bir tür teknolojik ilktir.
Uzun vadede nasıl davranacaklar? Tüm otomotiv dünyasının gözleri kesinlikle bu Çinli otomobil üreticisinin üzerinde, bakalım nasıl olacak. Bu, markalarını tanıtmak ve diğerlerinden önce bu yeni teknolojiyle ilişkilendirmek için harika bir pazarlama fırsatı da olabilir, ancak seri üretime geçeceklerinin garantisi yok.
Otomotivde kullanılan gerçek katı hal pillerinin hala deneysel bir aşamada olduğu ve halen devam eden ve şu ana kadar seri üretimlerini sınırlayan büyük zorluklarla karşı karşıya olduğu kesin. Ancak Mercedes, Volkswagen, Toyota ve diğerleri gibi birçok otomobil üreticisi, bu umut verici teknolojiyle ilgileniyor ve bu teknolojiyi incelemek ve geliştirmek için büyük kaynaklar harcıyor. Sınırlamalar aşılırsa, 2024 ile 2026 yılları arasında piyasaya sürüleceği duyurulan ilk kesin teknolojiye sahip olacak olanlar da yine onlar olacak.